Ako vytvoriť 3D obraz a ako vnímame hĺbku obrazu

Teória optiky a vnímania viditeľného sveta nemusí byť nuda.

0
663
Ilustračný obrázok: http://www.123dapp.com/catch

Zamysleli ste sa niekedy nad tým, ako to funguje a prečo sa nám zdá, že objekty vystupujú z premietacieho plátna v 3D kine alebo z 3D televízie? 3D obraz vytvára dojem priestoru a hĺbky. Najprv ale treba vedieť niečo o tom, ako zrakom vnímame priestor. Ide o poznatky z percepčnej psychológie, aplikovanej geometrie a samozrejme aj z optiky

Čo je priestorové videnie?

Vďaka priestorovému videniu dokážeme pomerne presne odhadnúť vzdialenosti a umiestnenie predmetov v priestore. S istotou chytíme pohár, ktorý je pred nami na stole, bez toho, aby sme ho rozbili či vyliali jeho obsah. Nevidíme len jeho rozmer v šírke a výške, ale vidíme aj hrúbku a umiestnenie v priestore. Vidíme teda v troch dimenziách (3D).

priestorové videnie

Ako je možné priestorové videnie?

Vidíme obraz, ktorý sa prostredníctvom šošovky premieta na sietnicu. Plocha sietnice dokáže zaznamenať svetlo, farbu, šírku a výšku – teda tvar predmetu. Nedokáže však zaznamenať vzdialenosť od videného predmetu.

priestorove videnie

Binokulárna dispartita

Anatómia oka nie je prispôsobená na vnímanie priestoru. Priestorové vnímanie je možné predovšetkým vďaka tomu, že máme oči dve – máme takzvané binokulárne videnie. Ak sa teda pozeráme na predmet očami, ktoré sú umiestnené približne 7 cm od seba, do každého oka nám príde trochu iný obraz (binokulárna dispartita). Porovnaním odlišností v týchto obrazoch je nervový systém schopný dedukovať hĺbku obrazu.

S binokulárnou disparitou pracuje napríklad aj najnovší mobil Huawei P9, ktorý má vedľa seba dve šošovky a jedným zo spôsobov zaostrovania je aj výpočet hĺbky ostrosti. Telefón umožní snímok uložiť vo formáte, v ktorom môžete zaostriť aj po sfotení na ľubovoľnú časť.

Konvergencia

Ďalším spôsobom, ako náš zrak určuje vzdialenosť, je konvergencia. Vyplýva z vlastností trojuholníka. Oči sú pri pozorovaní predmetu natočené pod uhlom, ktorý vie náš nervový systém zaznamenať a dedukovať z neho vzdialenosť pozorovaného predmetu. Podobný systém sa používal v tankových bitkách v druhej svetovej vojne. Ak mal tank binokulárnu optiku, znamenalo to, že má dve samostatné optiky. Ak sa strelcovi podarilo obidve zosúladiť a zamerať na cieľ, mohol z uhlov ich natočenia vypočítať vzdialenosť cieľa a trafiť presne. Konvergencii sa v súčasnosti venovali aj hráči počítačovej hry War Thunder v tomto videu.

binokularne zameriavanie
Do dnes sa na vypočítanie vzdialenosti od pozorovateľa tiež používa sférická trigonometria. Ide o postup z aplikovanej geometrie. Priekopník trigonometrie bol Aristarchos zo Samu, ktorý pomocou tejto techniky študoval vzdialenosti Mesiaca a Slnka od Zeme. Tento matematický princíp sa dodnes využíva v geografii.

Horopter

Ďalším spôsobom je horopter. Ide o princíp porovnávania vzdialeností jednotlivých predmetov na základe zdvojenia obrazu pred a za predmetom zaostrenia. Toto zdvojenie je schopných vnímať len málo ľudí, keďže väčšina z nás má jedno oko prioritné. Náš nervový systém však vie tento rozdiel zaznamenať.

Horopter vnimanie 3D
Viac o tomto spôsobe vnímania obrazu nájdete na https://en.wikipedia.org/wiki/Horopter

Monokulárne vnímanie hĺbky

vnimanie hlbky

Aj ľudia, ktorí vidia len na jedno oko, dokážu vnímať hĺbku, ale nemôžu viesť motorové vozidlo a pod., pretože nevedia presne odhadovať vzdialenosti. Hĺbku vnímame aj prostredníctvom monokulárnych kľúčov – asi najpodstatnejšou je akomodácia, čiže roztiahnutie či stiahnutie šošovky prostredníctvom ciliárneho svalu a jej zaostrenie na určitú vzdialenosť.

Popísali sme niekoľko možností, ako sa vníma hĺbka obrazu. Jestvujú aj ďalšie možnosti vnímania hĺbky, ako napríklad relatívna veľkosť, interpozícia, gradient štruktúry, tiene, lineárna perspektíva a pohybová paralaxa, ale to by už bolo príliš veľa teórie.

Čo je 3D obraz ?

3D (three-dimensional) je trojrozmerné zobrazenie obrazu na dvojrozmernej ploche. Je to vo svojej podstate optický klam, ktorý oklame náš zrak a nervový systém tak, že obraz vnímame ako priestor:

3D obraz pohar
Ceruzová kresba na papier, autor Stefan Pabst: Glass in 3D on Paper
Populárne sú taktiež 3D kresby na chodníkoch, ktoré využívajú naše vnímanie hĺbky priestoru. Stačí však nesprávny uhol a efekt sa stráca.
Populárne sú taktiež 3D kresby na chodníkoch, ktoré využívajú naše vnímanie hĺbky priestoru. Stačí však nesprávny pozorovací uhol a efekt sa stráca.

Využívajú sa na to predovšetkým uvedené poznatky o binokulárnom vnímaní hĺbky. Vychádza sa predovšetkým z toho, že vnímame priestor porovnávaním odlišností obrazu z pravého a ľavého oka. Preto na vytvorenie 3D potrebujeme do pravého a ľavého oka dostať odlišný obraz. Využívajú sa na to metódy stereoskopickej projekcie. Použitie trojrozmerných obrazov v praxi sme priniesli v našom článku o tom, ako optické ilúzie spomaľujú vodičov.

Ako pracuje 3D kino a 3D televízia (stereoskopia)?

Určite poznáte okuliare s červeným filtrom na jednom a modrým filtrom na druhom oku. Táto metóda stereoskopie sa volá anagraf a bola veľmi populárna v 90. rokoch. Obraz pre ľavé oko je premietaný v modrej farbe a obraz pre pravé oko je premietaný v červenej farbe. Farebné filtre na okuliaroch zabránia tomu, aby sa obraz určený pre pravé oko nedostal k ľavému a naopak. Tento spôsob 3D zobrazenia dokáže vykresliť akékoľvek zobrazovacie zariadenie alebo tlač. Nevýhodou je ale nízka kvalita obrazu a farieb. Jednoduchý návod, ktorý má takmer desať rokov, ale stále funguje a je aktuálny, sme priniesli v článku Photoshop – Ako vytvoriť vlastný 3D obrázok od Michala Lopašovského.

anagraf okuliare
anagraf obraz

Najvyužívanejšou technológiou v 3D kinách či domácich 3D televíziach je pasívna stereoskopia. V okuliaroch nepotrebujete baterky a sú ľahšie. Táto technológia pracuje na princípe polarizácie svetelných vĺn. Všetky svetelné vlny kmitajú v nejakom smere, väčšina týchto vĺn kmitá v náhodnom smere. V 3D kine na plátno premietajú dve premietačky, každá premieta obraz pre jedno oko, pred premietačku je nainštalovaný polarizátor. Polarizátor prepustí len tie svetelne vlny, ktoré kmitajú v určitom smere. Polarizátor prepúšťa na jednej premietačke vertikálne kmitajúce vlny a na druhej horizontálne kmitajúce vlny. Sklíčko 3D okuliarov je tzv. analyzátor. V podstate sú to rovnaké polarizačné filtre ako na premietačke. Jedno sklíčko prepúšťa len horizontálne vlny a druhé len vertikálne vlny. Preto sa dostane do každého oka len ten obraz, ktorý je preň určený.

3D obraz v kine Grafika.sk
3D displeje obsahujú variabilný polarizačný filter, ktorý dokáže meniť horizontálny a vertikálny smer polarizácie. Každý monitor ma určitú frekvenciu, takže ak má 3D monitor frekvenciu 60 hz, v móde 3D znamená to že vyšle 60 snímkov za sekundu pre jedno oko, ktoré strieda so 60 snímkami pre druhé oko, takže spolu vyšle 120 snímkov za sekundu. Polarizačný filter tak strieda svoju polaritu vo frekvencii 120 Hz.

polarizacne okuliare
V 3D televíziach sa používa aj aktívna stereoskopia. Rozdiel je v tom, že aktívna stereoskopia nevyužíva polarizáciu, ale okuliare striedavo zatieňujú jedno a druhé sklíčko synchrónne so striedaním obrazu určeného pre jednotlivé oči. Na striedanie takéhoto obrazu je potrebná elektronika v okuliaroch, ktorá ho synchronizuje s vysielaným obrazom, preto aktívne okuliare potrebujú napájanie na baterky, sú tým pádom ťažšie a to môže spôsobiť nepohodlnejšie používanie. Pri staršom modeli televízora Philips 9705 bolo potrebné umiestniť pred diváka aj senzor, ktorý komunikoval s polarizačnými okuliarmi, novšie produkty už takýto vysielací senzor majú zabudované v sebe.

Záver

V článku ste sa mohli oboznámiť s možnosťam vnímania trojrozmerného obrazu, zobrazili sme aj ilustračné príklady a odkázali sme aj na návod ako si vytvoriť anagrafický 3D obrázok. Výrobcovia sa predbiehajú v tom, ako dostať 3D do sveta spotrebiteľov, či už doma, v práci, alebo v spoločnosti. Nabudúce vám predstavíme tieto pokusy, zlyhania, ale aj novinky, ktoré by vás mohli zaujímať.

Zdieľať
Predchádzajúci článokStrávil 15 rokov fotením miest v kvapkách
Nasledujúci článokMagické sochy, ktoré ožívajú a majú vlastný príbeh
Grafickému dizajnu som sa začal venovať na strednej umeleckej škole. Vždy som vedel, že veci sa dajú robiť inak. Keďže som o grafike nevedel nič, prihlásil som sa na kurzy počítačovej grafiky. Nikdy nezabudnem na poznatok že všetko sa dá, len sa musí prísť na to, ako to urobiť.“ Tieto slová ma sprevádzajú počas celej mojej tvorby. Po ukončení strednej školy som začal pracovať v reklamnej agentúre, kde som mal možnosť overiť svoje schopnosti v praxi. Naučil som sa základy prípravy do tlače a postupy spracovania zákaziek. Neskôr som sa zamestnal ako firemný grafik vo firme, ktorá prevádzkovala niekoľko webových portálov, a tak som sa priučil základom práce s webdizajnom. Po určitej dobe som však pociťoval nedostatok nových výziev a podnetov. Rozhodol som sa preto pokračovať v štúdiu na vysokej škole, kde som nabral inšpiráciu a vedomosti. Po ukončení prvého stupňa vysokoškolského štúdia som prešiel viacerými pozíciami grafika v rôznych reklamných agentúrach Na základe týchto skúseností som sa rozhodol pracovať ako grafik na voľnej nohe, čo mi dáva omnoho väčšiu flexibilitu a umožňuje pristupovať k zákazníkom individuálne a poskytovať im tak služby šité na mieru ich potrebám tak, ako si napredovanie ich podnikania vyžaduje.